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官厅水库流域水沙优化配置与综合治理措施研究Ⅰ*

——水库泥沙淤积与流域水沙综合治理方略

胡春宏，王延贵

（中国水利水电科学研究院，北京   100044）

摘要：本文就官厅水库泥沙淤积过程和流域水沙综合治理进行了研究，指出入库水少沙多、蓄水拦沙运用等是造成官厅水库严重淤积（包括拦门沙淤堵及坝前淤积）的主要原因，三角洲淤积形态与淤积分布不均衡是官厅水库泥沙淤积的主要特征；泥沙严重淤积导致官厅水库防洪标准降低、供水无保证、库周淹没损失扩大，以及影响泄洪建筑物的安全和发电供水质量等一系列问题；从官厅水库流域水沙配置的角度，提出了上游拦沙（水土保持和水库拦沙）、中游用沙（水沙综合利用和优化配置）、库区治沙（挖泥疏浚）和下游排沙用沙等内容的流域水沙综合治理措施，给出了官厅水库泥沙淤积治理的应急、近期及中长期的治理方案。

关键词：官厅水库；泥沙淤积；综合治理措施；挖泥疏浚

中图分类号：         文献标识码：A           文章编号：0468-155X(2004)02-00

1 流域概况

官厅水库位于永定河上游，水库控制的流域面积为43402km²，占永定河流域面积的93%，官厅水库所处流域位于高原背山区，流域四周群山环抱，流域内山峦起伏，地形特点为山、丘、川、盆地相间分布^[1]，其中山区面积14191km²，占流域总面积的33%；丘陵区面积16173km²，占37%；河川区面积13038km²，占30%。在山区中除了169km²土石山区外，其余14022km²均为石质山区；在丘陵区除了500km²石质丘陵和3484km²土石丘陵外，其余12189km²均为易于侵蚀的黄土丘陵；在河川中除2316km²易于侵蚀的洪、坡、湖积台地外，其余10722km²为河谷冲积平原。

官厅水库以上流域主要有三条支流：洋河、桑干河和妫水河，其中洋河流域面积为16710km²、桑干河流域面积为25840km²，这两条支流占官厅水库上游流域面积的91%，是主要的产水产沙来源区，妫水河流域面积为852km²，是水库主要的蓄水区域。

流域内植被条件极差，高覆被面积（植被度大于70%）约为7183km²，中覆被面积（植被度为30%~70%）约为6320km²，低覆被面积（植被度小于30%）约为3531km²；而植被很少的裸露面积约为28152km²，占流域面积的64.9%。河川区由于大面积耕作，森林覆盖受到限制，有的地区更受到风沙、土质影响，树木生长极慢。

流域受蒙古高压控制，属于半干旱大陆性气候，夏季凉爽而时短，冬季严寒而漫长，春秋两季风大，冬季干燥少雨，降雨主要集中在夏季。据统计^[2]，二十世纪50年代是丰雨期，年平均降雨量为442.22mm；40年代、60年代、70年代和90年代为平偏丰雨期，年降雨量为410～420mm；30年代为平偏枯雨期，年均降雨量为384mm；20年代和80年代为枯雨年，年均降雨量为360mm左右。1918—2000年水沙资料统计表明，多年平均径流量和输沙量分别为14.63×10⁸m³和59.4×10⁶t；官厅水库修建以来，多年平均径流量为9.15×10⁸m³，年沙量为17.46×10⁶t；特别是近20年来，年径流量及输沙量大幅减少，多年平均径流量和输沙量分别为4.27×10⁸m³和3.55×10⁶t，仅为多年平均值的29.2%和6.0%。

官厅水库是我国二十世纪50年代在多沙河流上修建的第一座大型骨干水库，1951年动工，1955年10月正式蓄水运用，工程的主要目标是：防洪、供水、发电、灌溉。工程建筑物包括土坝、溢洪道、泄洪洞及发电引水隧洞等，1986年工程改建加高大坝7m，工程主要技术指标如表1所示。

表1  官厅水库工程特性表

Table 1  Main parameters of the Guanting reservoir

2 官厅水库泥沙淤积及存在的主要问题

2．1官厅水库泥沙淤积

一方面，官厅水库来水来沙条件的主要特征是水少沙多，另一方面，水库长期采用蓄水拦沙运用方式，造成严重的泥沙淤积问题。据实测资料统计^[3，4]，1953-2000年官厅水库累积淤积6.5×10⁸m³，占原设计总库容的29%，由于来水来沙和运行条件的不同，淤积量年际变化也有很大的差异，50年代年均来沙量最大，为7041×10⁴t，相应的年均淤积量也最多为5043.1×10⁴m³；70年代年均来沙量减少至1077×10⁴t，泥沙淤积量也大幅度减少为895.1×10⁴m³；进入80年代，由于来水来沙量进一步减少，年均淤积量也相应减少到322×10⁴m³,90年代年均淤积量为489×10⁴m³。

官厅水库淤积发展以典型的三角洲形态向前推进（如图1所示），淤积三角洲顶点随运行时间逐渐从50年代末的永1022+1断面移至60年代的永1010+2—永1010断面，然后再移至70年代至90年代的永1010—永1009断面或者以下，且随着水沙条件、主流河势和水库运行水位的变化而上提下挫或左右摆动，特别是在1970～1990年期间尤为突出。从表2所示的三角洲淤积分布情况可以看出，1955～1997年间，淤积三角洲的坝前段、前坡段、顶坡段、尾坡段和妫水河库区对应的淤积量分别为137.12×10⁶t、238.8×10⁶t、169.48×10⁶t、29.26×10⁶t和56.3×10⁶t，分别占总淤积量的21.73%、37.84%、26.86%、4.64%和8.92%。其中90%以上的泥沙淤积在永定河库区，使永定河库区的调节库容大大减少。

Figure 1 Process of the delta sedimentation in the Guanting reservoir

表2   官厅水库1955～1997年三角洲不同部位的淤积情况

Table 2  Delta sedimentation of the Guanting reservoir from 1955 to 1997

另外，由于官厅水库特殊的边界条件（永定河库区和妫水河库区以狭窄的妫水河连通）和水沙条件（永定河来水来沙量远大于妫水河），泥沙在妫水河口附近淤积形成拦门沙。拦门沙的发展与三角洲前坡淤积、永定河主流位置和异重流分流淤积有密切的关系。在拦门沙的不同发展阶段，三角洲淤积和异重流淤积所起的作用是不同的。在1979年以前，拦门沙主要是大水大沙年的水库异重流运动到妫水河口处出现分流，由异重流分流淤积形成，其抬高速度较慢，坎顶高程从20世纪60年代的464m 上升到70年代末的467m；从1979年以后，永定河来水主流从右岸转向左岸，库区淤积三角洲逐年向妫水河口门附近推进，拦门沙主要由三角洲前坡向前推进，淤堵速度明显加快,其高程已从80年代中期的469m淤高至1995年汛前的474m。

2．2官厅水库存在的主要问题

严重的泥沙淤积造成了水库防洪标准降低、供水无保证、库周淹没损失扩大，以及影响泄洪建筑物的安全和发电供水质量等一系列问题^[4，5]。

（1）水库防洪标准降低

由于泥沙淤积使防洪库容减少，防洪标准降低，80年代初官厅水库的防洪标准已由原设计的千年一遇，降到370年一遇。 1986年水库大坝加高到492m，虽然增大了防洪库容，但仍难于满足设计标准，直接威胁着北京和天津等地的防洪安全。

（2）妫水河口拦门沙淤堵，使水库调节能力削弱，供水无保证

目前，官厅水库尚余存库容约16.2×10⁸m³，约有75%在妫水河库区（以改建前设计值估计）。官厅水库向首都供水主要依靠妫水河库区的调节库容，但由于距大坝约8.0km的妫水河口拦门沙坎逐年淤积，坎顶高程迅速抬高，其高程已达474m，造成拦门沙淤堵妫水河口，使妫水河部分库容损失由0.8×10⁸m³增至2.6×10⁸m³，大大降低了妫水河库容的调节作用，水库的防洪、供水等效益都受到严重影响。

（3）水库末端淤积上延，造成水库周围淹没及生态环境问题

1986年大坝加高至492m，虽然增大了防洪库容，随着水库水位的抬高和库尾淤积的进一步发展，带来一系列生态环境的新问题，从长远看，还加大了防洪的风险。官厅水库正常高水位下的回水末端约在距坝25km的夹河村附近，由于泥沙的剧烈淤积，使淤积末端不断向上游延伸，二十世纪80年代洋河淤积末端距坝约35km，桑干河淤积末端距坝约31km，淹没损失明显扩大；随着淤积末端向上游延伸，使河床高于两岸地面，两岸地下水位抬高，造成库周土地盐碱化面积不断扩大。

（4）坝前淤积面抬高，直接影响泄洪建筑物的安全与发电和供水质量

随着水库淤积三角洲向坝前的不断推进，水库床面逐年抬高，近期坝前淤积高程已达461m，而泄洪洞底板高程仅为444m，泥沙淤积厚度达17m。如不经常提闸泄水，泄洪洞有被泥沙淤埋废除的危险；同时电站引水含沙量有所增大，使水轮机磨损加剧、寿命缩短，随着下泄供水含沙量增大，工业用水处理的负担也相应增加。

（5）水资源短缺及水质污染

随着北京地区及流域内社会经济的迅速发展，用水量逐年增加，且对水质的要求逐渐提高。与1949年相比，北京市总用水量增长了40倍，其中工业用水增长了31倍，城市自来水用量增长了85倍。而作为北京市两大供水水源之一的官厅水库蓄水量近期进一步减少，同时，工农业迅速发展导致官厅水库流域内污水排放量增加，1999年入库污水量达1.21×10⁸t，造成官厅水库的水质污染严重，其中氨氮、BOD₅、挥发酚、非离子氨、重金属含量等均严重超标，1997年不得不停止北京市饮用水的供给，进一步加剧了首都水资源短缺的局面。水质污染的同时，库区泥沙污染也较严重，特别是库区底部的淤泥污染。

面对官厅水库如此严重的泥沙淤积问题和水环境污染问题，开展官厅水库的综合治理，恢复水库的防洪供水功能势在必行，本文在作者近年来的研究成果的基础上，从流域水沙优化配置的角度出发，提出了官厅水库泥沙治理的综合治理措施。

3 官厅水库流域水沙综合治理方略

3．1以往治理方案综述

官厅水库库区泥沙淤积和治理早在20世纪50和60年代就开始被有关部门所重视，进行了大量水库水沙资料和泥沙淤积的系统观测，取得了许多重要的研究成果^[6，7]；随着泥沙淤积的不断增加，水库防洪问题日益严重，70和80年代，中国水科院、水电部北京设计院和北京水科所等有关单位对官厅水库存在的问题及其治理措施进行了深入的研究^[1，8，9]。1986年实施了拦河坝加高的防洪措施（拦河坝从485.27m加高至492m），京津地区的防洪安全得到缓解；并提出了15个控制妫库河口和减缓三角洲推移的治理方案，如表3所示，相应的工程布置如图2所示，这15个方案可归纳为六类^[1]：第Ⅰ类，上游措施（方案1—石匣里水库方案）；第Ⅱ类，输沙渠方案（方案2、3、4、5和6）；第Ⅲ类，挖泥疏浚方案（方案7和8）；第Ⅳ类，扬水方案（方案9和10）；第Ⅴ类，管洞方案（方案11、12、13、14）；第Ⅵ类，排沙方案（方案15）。进入90年代，水库拦门沙淤堵、坝前淤积等引起的供水、防洪问题越来越严重，中国水科院和北京市水科所等单位在前人研究的基础上，采用现场调研、数学模型、实体模型及计算机可视化技术等手段，在系统研究官厅水库来水来沙和库区（包括拦门沙和坝前）淤积规律的基础上，提出了官厅水库泥沙淤积的近期、中长期治理方案^{[5，10，11]}。

表3 官厅水库泥沙治理方案简介

Table 3 Brief introductions of sediment control schemes in Guanting reservoir